摘 要
青藏高原东部黄土丘陵区人工群落发育和耗水的研究具有复杂及不可直接观测的特点，阻碍了其特征与功能的深入研究。该区人工林具有立地结构复杂、土壤贫瘠、树种单一等特点，典型造林树种有青海云杉（Picea crassifolia）、华北落叶松（Larix principis-rupprechtii）、青杨（Populus cathayana）、白桦（Betulaplatyphylla）和祁连圆柏（Sabina przewalskii）等。青海大通县位于青藏高原东部黄土丘陵区，兼有高寒区和黄土区的特征，气候高寒干燥，地形地貌土石交错，植被环境脆弱，是典型的水土流失发生区。经过近二十年来退耕还林和封山禁牧等生态工程的实施，该地区植被覆盖度与生态环境状况得到明显改善，但生态系统依然脆弱。本研究针对青藏高原东部黄土丘陵区主要树种发育及植被与土壤水分协调可持续问题，以青海大通县黄土丘陵区主要造林树种青海云杉（Picea crassifolia）、华北落叶松（Larix principis-rupprechtii）、青杨（Populuscathayana）和祁连圆柏（Sabina przewalskii）为研究对象，利用 CNC503DR 型中子仪和 SFM1 SAP 植物茎流计等先进试验仪器，同时运用统计学方法和多种处理分析软件，分析不同林龄、坡位条件下林分组成和稳定的关系，研究了主要造林树种在不同生长发育时期的林分结构和土壤水分合理利用分配情况。这一方面有助于该区植被建设中生态用水量的确定；另一方面其结果也将直接对今后该地区人工林改良、更新起到科学的指导作用，将有助于促进我国黄土丘陵区人工林近自然化发展、建设的科技水平。
该研究主要结论如下：
（1）大通县 4 种主要树种林下共发现高等植物 84 种，分属于 30 科，71属。其中菊科 20 种，豆科 10 种，禾本科 7 种；因此禾本科，菊科，豆科是该区的优势科。以植物多样性和群落生产力评价当地 4 种主要造林树种，在造林前期 30 年中：华北落叶松（Larix principis-rupprechtii）（地上生物量最大为21.68kg/m2）和青杨（Populus cathayana）（地上生物量最大为 12.96kg/m2）对当地生态群落建设和改善的效果最为明显，群落生产力相对最高。
（2）通过土壤理化因子和植物多样性指数比较发现：土壤理化因子间和植物多样性指数间具有显着差异。但土壤理化指数和多样性指数之间没有明显差异性，说明表层植被还在进行强烈演替且植被改变土壤理化性质需要漫长的时间。
（3）通 过 SFM1 SAP 植 物 茎 流 计 测 得 华 北 落 叶 松 （ Larixprincipis-rupprechtii）和青杨（Populus cathayana）人工林样地日实际茎流量，然后得出：总体上华北落叶松（Larix principis-rupprechtii）耗水量大于青杨（Populus cathayana），且耗水量最大的为 2002 年栽植的华北落叶松（Larixprincipis-rupprechtii）中坡样地（乔木耗水达到：269.991kg）。
（4）通过用 CNC503DR 型中子仪对土壤水分的测定，得到 2018 年 5 月中旬至 9 月初土壤水分的亏盈值。发现 4 种主要树种林下土壤水分在生长季里随深度和时间的不同呈波动变化，但土壤含水量总体没有出现严重亏损。虽然 1998年栽植的华北落叶松中坡亏损最严重（亏损值为 0.094mg/cm3），但当地冬春季降雨量（总和为 0.1292mg/cm3）完全可以弥补植物生长季的损耗，实现土壤水分正向健康发展。
关键词：高寒丘陵区,土壤理化性质,典型人工林群落,树干茎流,土壤水分
Abstract
The study of artificial community development and water consumption in loesshill-gully area in the east of qinghai-tibet plateau is complicated and cannot beobserved directly, which hindering the further study of its characteristics andfunctions. The plantation in this area has the characteristics of complex site structure,poor soil and single tree species. The typical afforestation species include Piceacrassifolia, Larix principis-rupprechtii, Populus cathayana, Betula platyphylla andSabina przewalskii. Datong county, located in the loess hilly region of the easternQinghai-tibet plateau, is a typical area where soil and water loss occurs. After nearly20 years of implementation of ecological projects such as returning farmland toforests and closing mountains and banning grazing, the vegetation coverage andecological environment in this area have been significantly improved, but theecological system is still fragile. Aiming at the development of major tree species, aswell as the coordination and sustainability of vegetation and soil water in loess hillyarea of the eastern Qinghai-tibet plateau, this study takes the major afforestationspecies of Picea crassifolia, Larix principis rupprechtii, Populus cathayana andSabina przewalskii as research objects. Using CNC503DR neutron probe and SFM1plant stem SAP flow meter and other advanced test instruments, using statisticalmethods and the analysis of a variety of processing software at the same time, theanalysis of forest age, the slope under the condition of different forest stand andstable relations, studies the main afforestation tree species in different growth period,reasonable use of soil moisture in forest stand structure and distribution. On the onehand, it is helpful to the determination of ecological water consumption in vegetationconstruction. On the other hand, the results will directly guide the improvement andrenewal of artificial forests in this area in the future, and help to promote the scientificand technological level of the development and construction of artificial forests in theloess hilly region of China.
The main conclusions of this study are as follows:
（1）84 species of higher plants, divided into 30 families and 71 genera, were foundunder 4 major tree species in Datong county. There were 20 species of compositae, 10species of legume and 7 species of gramineae. Therefore, gramineae, compositae andleguminosae are the dominant families in this area. To vegetation diversity andcommunity productivity evaluation local four main afforestation tree species, theforestation in the early 30 years: Larix principis-rupprechtii (21.68 kg/m2) ofmaximizing the aboveground biomass and Populus cathayana (12.96 kg/m2) ofmaximizing the aboveground biomass of local ecological community construction and the improvement effect is most obvious, community productivity is relativelyhigh.
（2）through the comparison of soil physical and chemical factors and vegetationdiversity index, it was found that there were significant differences between soilphysical and chemical factors and community vegetation diversity index. However,there was no significant difference between soil physicochemical index and diversityindex, indicating that the surface vegetation was still undergoing intense successionand it would take a long time for vegetation to change soil physicochemicalproperties.
（3）the actual daily stem flow of Larix principis-rupprechtii and Populuscathayana plantation samples was measured by the SFM1 SAP stem flowmeter, andthen the following conclusions were drawn: In general, Larix principis-rupprechtiiconsumes more water than Populus cathayana, and the most water consumption isthe Larix principis-rupprechtii medium-slope sample planted in 2002 (trees consume269.991kg).
（4）By measuring soil moisture with CNC503DR neutron instrument, the deficitvalue of soil moisture from mid-may to early September 2018 was obtained. It wasfound that the soil moisture of the four main tree species fluctuated with the depthand time in the growing season, but there was no serious loss of soil moisture.
Although the middle slope loss of Larix principis-rupprechtii in 1998 was the mostserious (loss value was 0.094mg/cm3), the local winter and spring rainfall (total0.1292mg/cm3) could completely make up for the loss of plant growth season andrealize the healthy development of soil moisture.
Key words: loess hilly area;Physical and chemical properties of soil;Vegetationcommunities;Stem flow; Soil moisture.
目 录
摘 要.......I
Abstract.I
第一章 绪 论1
1.1 研究背景.....1
1.2 国内外研究进展..2
1.2.1 黄土高原人工林植被研究现状和意义....... 2
1.2.2 人工林土壤理化因子的研究及意义.. 2
1.2.3 人工林耗水的研究及意义. 3
1.2.4 土壤水分研究... 3
1.2.5 植物耗水研究... 4
1.3 本研究意义..5
第二章 研究内容和实验方法.....6
2.1 研究的内容、拟解决的问题6
2.1.1 研究内容. 6
2.1.2 拟解决的问题.. 6
2.2 技术路线......7
2.3 研究区域概况......8
2.3.1 地理位置.. 8
2.3.2 气候条件.. 9
2.3.3 土壤和水文条件........ 9
2.4 实验样地概况与实验材料....9
2.4.1 实验样地概况... 9
2.4.2 植被调查实验设计.. 11
2.4.3 土壤理化因子组成实验设计... 11
2.4.4 主要树种林分耗水实验设计... 11
2.4.5 主要树种林分土壤水分测定实验设计..... 12
2.5 研究方法...12
2.5.1 植被多样性及生物量计算方法........ 12
2.5.2 土壤指标的测定..... 13
2.5.3 主要树种和土壤水分研究....... 14
2.6 数据统计...16
第三章 主要树种形成的群落关系分析.....17
3.1 大通县 4 种主要树种形成的群落灌草种类和组成........17
3.2 大通县 4 种主要树种形成的群落灌草科属组成...21
3.3 大通县 4 种主要树种不同林龄和坡位林下草本科属组成及优势种分析........22
3.4 大通县 4 种主要树种不同林龄和坡位生物量分析........25
3.5 大通县 4 种主要树种不同林龄和坡位多样性指数分析27
3.6 小结...29
第四章 土壤理化因子与植物多样性的关系......31
4.1 人工林不同坡位、林龄土壤理化性质.31
4.1.1 青海云杉林土壤理化性质分析 31
4.1.2 华北落叶松林土壤理化性质变化分析...... 32
4.1.3 祁连圆柏林土壤理化性质变化分析. 34
4.1.4 青杨林土壤理化性质变化分析 36
4.2 人工林土壤饱和导水率变化分析........37
4.2.1 不同坡位土壤饱和导水率........ 37
4.2.2 不同林龄土壤饱和导水率........ 39
4.3 土壤理化因子和植物多样性分析41
4.3.1 青海云杉人工林土壤理化因子和多样性之间的相关关系. 41
4.3.2 华北落叶松人工林土壤理化因子和多样性之间的相关关系..... 42
4.3.3 祁连圆柏人工林土壤理化因子和多样性之间的相关关系 43
4.3.4 青杨人工林土壤理化因子和多样性之间的相关关系 44
4.4 小结...46
第五章 主要树种林地水分变化分析47
5.1 胸径与边材面积的关系.......47
5.2 不同坡位和林龄日实际蒸腾变化48
5.3 林分蒸腾量的估算......49
5.4 土壤水分....51
5.5 小结...53
第六章 结论与展望.54
6.1 主要结论....54
6.1.1 人工林主要树种发育状况是植物群落耗水研究的基础..... 54
6.1.2 人工林主要树种林下土壤理化性质是土壤水分和林木发育研究的关键....55
6.1.3 人工林主要树种林木茎流量的研究是林分耗水的关键..... 56
6.1.4 人工林主要树种林下土壤水分的盈亏研究是林分健康发育的保证... 56
6.2 未来该区研究展望......56
参考文献.58
致 谢...62
作者简介.63
一、基本情况..63
二、学习工作经历...63
第一章 绪 论
1.1 研究背景
人类经过近百年的工业发展和对自然资源无节制的开发利用，造成全球和区域性生态问题不断加剧。例如全球气候多变反常、群落退化和土地荒漠化面积扩大等生态环境的负向发展，已经严重影响到人类生存和经济可持续发展。
水土流失使耕地水分和养分流失、土壤贫瘠化，已成为我国最严重的生态环境问题之一。因此开展水土保持调查研究，划分不同区域小班，找出科学合理的防治方法与措施，开展区域人与自然可持续发展的理论研究与实践，已关系到国家生态安全和全面实现小康生活。
黄土高原是我国乃至全球水土流失最严重的地域，也是生态环境改良和植被恢复研究的热点地区。长期以来植树造林一直是黄土高原生态修复与重建最直接、有效、经济的措施，但是随着时间就出现了造林树种发育不良、生产力低和形成的群落生物多样性低等现象，究其原因是没有考虑到人工植被的动态发育及区域可持续土壤水分植被承载力。现在学者们已对黄土高原生态脆弱区的生态环境问题及其植被恢复方案基本达成共识，即按照因地制宜、适地适树适草的原则，农林复合，乔灌草合理配置，科学合理、可持续的建立当地生态最为适宜的森林植被。植被发育与其生境相互影响制约，一方面温度、土壤理化性质和水分等限制林木生长；另一方面良好的林木生长又促进植被生境的正向发展，但目前对生态环境基础调查还不够全面，特别是在高寒干旱的青藏高原东部黄土丘陵区。
青海省大通县是青藏高原和黄土高原的交界区。本课题分别对青海省大通县闇门滩、杨家寨和塔尔沟的 4 种主要树种（华北落叶松、青杨、青海云杉、祁连圆柏）群落演替进行调查以及蒸腾耗水情况进行监测，以探求黄土丘陵区人工林林木耗水特征和土壤环境改良情况；探求黄土高原自然、理想林分为核心的保土、景观美化的林木植被结构调整技术。以期为该区黄土丘陵区人工林改造、管理和抚育更新提供科学依据，实现农林业的可持续发育，更好促进青海生态和经济的健康发展。
1.2 国内外研究进展
1.2.1 黄土高原人工林植被研究现状和意义
黄土高原是我国乃至全球分布最集中且面积最大的黄土区，总面积约 64 万km2。黄土高原植被覆盖率低、水土流失严重，近几百年来严重影响该区域及周边经济发展。自上世纪 50 年代以来，我国开展“退耕还林工程”投入巨大人力、物力使该区域林业建设取得了显着成效，生态环境得到了明显的改善。其中1999—2010 a 累计造林面积 1.89 × 107hm2，植被覆盖率从 1999 a 的 31.6%增加到 2010a 的 59.6%，增幅达 88%，植被覆盖呈明显增加趋势。当前，黄土高原人工林形成了一定规模，人工林类型主要有杨树、白桦、油松、祁连圆柏、云杉和落叶松等乔木林，以及沙棘、柠条、蔷薇等灌木林。鉴于良好的生态效益，国家继续扩大退耕还林草政策的实施，但由于黄土高原水分条件限制和人工林地理地形等环境因子的复杂性，人工林在生长发育中也慢慢显现出诸多问题。主要表现在造林中只片面追求成效，对植被的发育和更替缺乏可持续发展的理念，造成大量的人工林林分结构简单，树种组成单一，密度过大，以及生物多样性差。密度过大会造成人工植被光合作用消耗的水分较大，加之前期退耕还林草植物生长所需水分的增加，容易引起黄土高原地区地表湿润状况降低，土壤出现旱化特征，增加了植被衰败的可能性。只有对人工林生态系统加以认识和研究，才能更好地指导人类改善生态环境的步伐，实现黄土高原生态环境良性发展。
1.2.2 人工林土壤理化因子的研究及意义
林木生长发育和土壤密不可分，研究黄土丘陵区土壤理化性质对人工林改造、生态环境健康评价等都具有重要意义。通过研究发现土壤的化学性质越好，土壤肥力就越高；反之土壤肥力低下，化学性质变差。土壤化学性质是指组成土壤的物质在土壤胶体和溶液中所反映出来的基本性质，常见的土壤化学指标有 N、P、K、Ca、Mg 和阳离子交换量、盐基饱和度和 PH 等，人和动物活动干扰、群落结构等很多因素都严重影响人工林表层土壤化学性质。
土壤的物理性状通过水分的供应、气体的交换和影响根系的吸收等直接或间接地影响着林木的生长，一般反应土壤物理性质的指标有土壤水分、机械组成、毛管孔隙度和土壤容重等。通过研究不同林分土壤理化性质的变化，就可以进一步得出不同人工林对土壤理化性质的改善效果，从而为黄土丘陵区人工林群落的可持续管理提供可靠的理论依据。
1.2.3人工林耗水的研究及意义
通过近五六十年植被建设研究，学者们已经认识到土壤水分是黄土高原限制植被生长发育主导因素，且人工林耗水和土壤水分的动态平衡是后期人工林改造、更新难以协调、相互制约的矛盾。在过去从林木的选择到整地集流蓄水都进行科学的抗旱造林规划，但地形环境的复杂性也造成局部存在林木发育不良、密度过大、多样性单一等问题。造成这些问题的主要原因是缺乏“适地适树”的造林理论及技术和对当地生态环境及水资源分布认识不足，致使林分发育和土壤水分平衡失调，最终出现林木枯死、水土流失等生态退化的现象。
在此形势下，一些研究人员已经开始从新认识土壤含水量和林木耗水之间的关系及土壤水分林木承载力的问题。所以只有对青藏高原东部黄土丘陵区人工林耗水进行系统认识、研究，才能实现“适时适地适树”的黄土丘陵区人工林可持续建设。
…………由于本文篇幅较长,部分内容省略,详细全文见文末附件
第五章 主要树种林地水分变化分析
降雨、降雪等自然水分循环过程补给了生态群落土壤水分，而土壤水分由植物根系吸收，茎输导组织到达叶片蒸发。其中植物根系吸收的 99.8%水分都消耗在植物蒸腾，可以用边材液流量直接反映树木的蒸腾耗水。通过群落蒸腾耗水和土壤水分研究就可以得出群落最优水分动态平衡，从而选择最适林木、最佳林分密度和优化人工林植物搭配，对高寒黄土丘陵区生态环境构建、改善具有重大的理论和现实意义。
5.1 胸径与边材面积的关系
边材面积是计算整树蒸腾的关键参数，由于胸径与边材面积间存在良好的相关关系。通过一定数量的样木，建立胸径与边材面积的关系并近而推求林分边材面积。本研究根据林分 7 株青杨的边材面积和胸径数据进行模拟，发现边材面积与胸径之间均存在极显着的幂函数关系；而华北落叶松胸径和边材的关系采用于洋在《青海云杉、华北落叶松边材液流变化规律及其与气象因子的关系》一文中得到的关于青海大通华北落叶松的关系。具体两种关系式（图5.1）如下：
华北落叶松 ASq=0.2207(DBH)2.3729R2=0.9899
青杨 ASq=0.9351(Dq)1.788R2=0.9991
5.2 不同坡位和林龄日实际蒸腾变化
下图 5.2 是标准木青杨（边材面积 539.08cm3）和华北落叶松（边材面积30.67cm3）实际蒸发量（Ec/mm）的典型日变化曲线。
从图 5.2 和 5.3 看出生长季里，华北落叶松和青杨不同坡位、林龄标准木日实际蒸腾变化均呈现明显的昼夜变化，呈现单宽峰曲线。通常白天 6 点左右液流开始上升，然后随着太阳辐射的增强，水汽压差和气温的增加，使得液流速率不断上升，并且在 12.00 左右达到其峰值，然后 16.00 左右开始下降，晚上 22.00左右速度变慢，直至来日日出之前达到最低值，证明夜间有微弱液流存在，这是树体水分恢复和储水阶段，以备来日耗水之用。但不同坡位、林龄标准木实际蒸腾值变化呈现出明显的个体差异，并可以看出实际蒸腾值变化明显受该天林地土壤含水量和环境因子的影响，出现小的波动。根据华北落叶松日蒸发最大值排序分别为：1987 年落叶松（中坡）>2002 年落叶松（中坡）>2002 年落叶松（上坡）>2002 年落叶松（下坡）>1998 年落叶松（中坡）。根据青杨日蒸发最大值排序分别为：2002 年青杨（中坡）>1987 年青杨（中坡）>2002 年青杨（上坡）>2002 年青杨（下坡）>1998 年青杨（中坡）。
5.3 林分蒸腾量的估算
通过前人研究和本次实验得出：林木单株耗水量与边材面积成一定线性关系，对各样地标准木液流的测定及林分总边材面积进行估计，应用实验得出的边材面积和茎流的关系式计算出各时段林木蒸腾耗水量。下表 5.1 和 5.2 为2018 年 6 月 16 日到 2018 年 8 月 7 日青杨和华北落叶松样地（20×20m）林木总蒸腾量，及半月实际蒸腾量。
由表 5.1 可知：在青海大通县华北落叶松样地乔木实际蒸腾耗水中，2002年中坡（269.991kg）>1998 年中坡（169.848kg）>2002 年下坡（108.698kg）>2002年上坡（54.4kg）>1987 年中坡（45.867kg）。
由表 5.2 可知：在青海大通县青杨样地乔木实际蒸腾耗水中，1987 年中坡（47.332kg）>2002 年中坡（40.977kg）>2002 年下坡（37.168kg）>2002 年上坡（29.158kg）>1998 年中坡（18.505kg）。
5.4 土壤水分
土壤水分含量和植被生长发育息息相关。土壤水分的状况及其变化决定了树木对其吸收利用的强度和难易程度，从而影响树木的蒸腾和生长发育。通过用 CNC503DR 型中子仪对每半月土壤水分的测定，得到青海大通县 4 种主要树种不同坡位（5 月中旬至 9 月初）的土壤体积含水量变化曲线。
由图 5.3 可知：在大通县 4 种主要树种群落土壤体积含水量变化趋势明显，尤其表层 30cm 水分波动较剧烈。其中青海云杉上中下坡位各月变化明显，但是整个生长季里土壤体积含水量出现小幅度上升，上升幅度最大的是 2002 年栽植的中坡表层 30cm 土壤体积含水量从 5 月初的 0.246mg 上升到 0.320mg；华北落叶松上中下坡位群落在生长季里土壤体积含水量整体呈现下降趋势，其中 2002年栽植的中坡下降幅度最大，表层（0-100cm）平均达到了 0.094mg；祁连圆柏上中下坡位群落在生长季里土壤体积含水量整体呈现小幅度上升趋势，其中2008 年栽植的中坡下降幅度最大，表层（0-100cm）平均达到了 0.094mg。
由图 5.4 和表 5.3 可知：大通县四种主要树种生长季（0-100cm）平均土壤体积含水量中华北落叶松和青杨呈整体亏损状态，而 2002 a 栽植青海云杉上呈-0.00131mg/cm3。而由董其国对大通县最近 50 a 气象变化特征的分析，发现青海大通县 10 月至来年 4 月为干季，降雨量只能占到全年的 17%左右，而 2001 年至 2010 a 大通县春季和冬季的总平均降雨量为 129.2mm、总平均蒸腾量为2.137mm。把 129.2mm 降雨平摊到土壤表层（0-100cm）就为 0.1292mg/cm3，而 0.1292mg/cm3均远远大于华北落叶松中坡（0.094mg/cm3）、青杨下坡（0.0205mg/cm3）和青海云杉上坡（0.00131mg/cm3）等生长季耗水的亏损。由此可见，单以土壤含水量和地区降雨量分析，青海大通县土壤水分呈正向健康发展。
5.5 小结
（1）通过茎流计测得华北落叶松和青杨日实际茎流量，并根据胸径和边材面积的关系得到各样地标准木日实际蒸腾耗水量及 6 月 16 日至 8 月 7 日植物生长季典型时间段林分乔木的总耗水。由此得出：总体上华北落叶松耗水量大于青杨，且耗水量最大为 2002 a 栽植的华北落叶松中坡，林分乔木耗水达到：269.991kg。
（2）通过用 CNC503DR 型中子仪对土壤水分的测定，得到青海大通县 4种主要树种不同坡位（5 月中旬至 9 月初）的土壤体积含水量变化曲线，并根据土壤体积含水量得到 2018 年 5 月中旬至 9 月初土壤水分的亏盈值。由此发现：
4 种主要树种林下土壤水分在生长季里随深度和时间的不同呈波动变化，但总体土壤含水量没有出现严重亏损。其中亏损最严重的是 1998 a 栽植的华北落叶松中坡亏损值为 0.094mg/cm3，但根据当地冬春季降雨量总和为 0.1292mg/cm3，完全可以补全植物生长季的损耗，实现土壤水分正向健康发展。
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